一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件的制作方法

1.本技术涉及用于下肢的器械技术领域，特别涉及一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件。


背景技术：

2.穿戴式下肢外骨骼可以为人们的下肢提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，是一种能在操作者的无意识控制下完成助力行走等功能的人机一体化系统。目前的穿戴式下肢外骨骼仍面临着诸多问题，特别是机器人关节自由度与人体关节自由度匹配度较差问题，也即机器人关节未具备完全的仿生自由度。
3.现有技术中的穿戴式外骨骼的踝关节主要为多连杆形成的单自由度关节组件，这个单自由度指的是在穿戴人矢状面上的屈伸自由度，使得穿戴式外骨骼的踝关节的远端与穿戴人的足部，能够在穿戴人矢状面上保持同步运动。
4.但是人类的踝关节实际上具有两个自由度，除矢状面上的屈伸自由度，还具有在穿戴人冠状面上的收展自由度。而穿戴式外骨骼的单自由度踝关节无法匹配穿戴人的踝关节在冠状面上的收展自由度，不仅影响了穿戴人的穿戴舒适度，还导致穿戴者行走时动作僵硬，影响了穿戴人踝关节的运动流畅性和精度，降低了穿戴式外骨骼的性能。
5.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
7.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
8.本技术提供了一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件，包括：
9.双自由度连接件，所述双自由度连接件在自身长度方向上具有两端部，分别为第一端部和第二端部；
10.屈伸转轴，一端连接在所述第一端部上，另一端与穿戴式外骨骼的小腿的下端连接，所述屈伸转轴的轴线与穿戴人的踝关节的屈伸自由度重合；
11.鞋子连接件，用于与穿戴人的鞋子固定连接；
12.收展转轴，一端连接在所述第二端部上，另一端与所述鞋子连接件连接，所述收展转轴的轴线与所述屈伸转轴的轴线之间的夹角为90
°
，所述收展转轴的轴线与穿戴人的踝关节的收展自由度重合。
13.进一步的，所述双自由度连接件为两端部同向翻折的板件，包括所述第一端部、中部和所述第二端部。
14.进一步的，所述第一端部与所述第二端部，延伸夹角为90
°
；
15.所述屈伸转轴的轴线垂直于所述第一端部的板面，所述收展转轴的轴线垂直于所述第二端部的板面。
16.进一步的，所述第一端部与中部的夹角为45
°
，所述第二端部与中部的夹角为45
°
。
17.进一步的，所述中部设有位姿传感器。
18.进一步的，所述第一端部和第二端部上均设有贯通式减重孔。
19.进一步的，穿戴式外骨骼的小腿的下端与所述第一端部之间设有屈伸复位弹簧，所述第二端部与所述鞋子连接件之间设有收展复位弹簧。
20.与最接近的现有技术相比，本技术实施例的技术方案具有如下有益效果：
21.1)本实用新型的双自由度踝关节组件具有双自由度，除了在矢状面上提供了行走时必要的屈伸自由度，还在冠状面上增加了外展和内收自由度，这样设计不仅提高了双自由度踝关节组件的仿生性，而且增强了踝关节组件的穿戴舒适度，具有重要的实用意义。
22.2)本实用新型的双自由度踝关节组件将屈伸自由度和收展自由度的旋转轴线交于一点，并且这个交点处于人体踝关节中心附近，这样设计考虑了外骨骼关节的仿生性，保证了外骨骼关节在进行屈伸和收展旋转时的旋转中心与人体踝关节旋转时的同步性，进一步提高了穿戴舒适度。
23.3)本实用新型的双自由度踝关节组件提供了自动复位功能，通过在收展转轴和屈伸转轴配设拉伸弹簧，当穿戴人行走并在对应的矢状面和冠状面发生旋转角度时，对应的弹簧会被拉伸产生弹力，弹力会将旋转轴拉回初始位置，这样设计的作用是可以在行走时协助穿戴者进行行走，有效节省行走时踝部受力。
24.4)本实用新型的屈伸转轴在双自由度连接件内部放置了位姿传感器，位姿传感器是穿戴式外骨骼获取外骨骼关节位姿的必要信息来源，是整个外骨骼控制中不可缺少的部分，连杆内部的位姿传感器将外骨骼踝关节在空间中的旋转角度以及速度等信息发送给外骨骼控制系统，进而精确控制外骨骼动作，进一步提高了穿戴舒适度。
附图说明
25.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：
26.图1为一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件的具体实施例的轴侧图；
27.图2为图1中第二端部和鞋子连接件的连接处爆炸图；
28.图3为图1中第一端部与小腿的连接处的爆炸图；
29.图4为一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件的具体实施例与鞋子的配合示意图；
30.图5为图1中双自由度连接件的中部的爆炸图。
31.附图标记说明：
32.1、双自由度连接件，11、第一端部，12、中部，13、第二端部，2、屈伸转轴，3、收展转轴，4、屈伸复位弹簧，5、收展复位弹簧，6、鞋子连接件，7、传感器罩壳，71、u形孔，8、深沟球滚珠轴承，9、鞋子，10、位姿传感器。
具体实施方式
33.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特
征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
34.在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
35.本技术提供一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件的具体实施例，如图1-图5所示，一种穿戴式外骨骼的双自由度踝关节组件，包括双自由度连接件1、屈伸转轴2、鞋子连接件6、收展转轴3、位姿传感器10、屈伸复位弹簧4和收展复位弹簧5。
36.双自由度连接件1为两端部同向翻折的板件，包括第一端部11、中部12和第二端部13。第一端部11与第二端部13的延伸夹角为90
°
：第一端部11与中部12的夹角为45
°
，第二端部13与中部12的夹角为45
°
，第一端部11和第二端部13上均设有贯通式减重孔。
37.中部12设有位姿传感器10：中部12设有传感器放置腔和传感器罩壳7，位姿传感器10设置在传感器放置腔中，传感器罩壳7通过四个螺丝固定在中部12上用于封堵传感器放置腔的开口，以防止位姿传感器10脱落，传感器罩壳7上设有u形孔，供与位姿传感器10信号传输的线缆穿过。
38.屈伸转轴2一端固定连接在第一端部11上，屈伸转轴2的轴线垂直于第一端部11的板面，并与穿戴人的踝关节的屈伸自由度重合。另一端与穿戴式外骨骼的小腿的下端转动连接：屈伸转轴2一端通过四个螺丝固定在第一端部11上，另一端通过轴承转动连接在穿戴式外骨骼的小腿的下端，形成了矢状面内的转动自由度。
39.收展转轴3一端连接在第二端部13上，收展转轴3的轴线垂直于第二端部13的板面，并与屈伸转轴2的轴线之间的夹角为90
°
，另一端与鞋子9连接件6转动连接：两个深沟球滚珠轴承8的外圈通过过盈配合嵌于第二端13的轴承安装孔中，内圈与收展旋转轴3连接，收展转轴3的轴线与穿戴人的踝关节的收展自由度重合，形成在冠状面内的转动自由度。屈伸转轴2和收展转轴3位于同一平面，并且屈伸转轴2的轴线和收展转轴3的轴线交于空间内一点，该点靠近人体踝关节的旋转中心。这样设计可以极大提高外骨骼踝关节与人体踝关节的跟随性和流畅性。
40.鞋子连接件6用于与穿戴人的鞋子9固定连接。穿戴式外骨骼的小腿的下端与第一端部11之间设有屈伸复位弹簧4，第二端部13与鞋子连接件6之间设有收展复位弹簧5。当双自由度连接件1随着屈伸转轴2发生旋转时，会拉伸一端连接于穿戴式外骨骼的小腿的屈伸复位弹簧4，产生弹力驱使双自由度连接件1回到初始位置。同理，当鞋子连接件6随着收展转轴3发生旋转时，会拉伸一端连接于双自由度连接件1的收展复位弹簧5，产生弹力驱使鞋子连接件6回到初始位置。
41.以上仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。